חם, מתפזר

הילד בן ה-30 שוכב על הספה בבית הוריו עם חום גבוה? מד חום רגיל בוודאי יספיק כדי למדוד את חומו. לא כך היה המצב עד כה, במה שקשור למדידה של חומרים בגודל ננומטרי, בדיוק של חלקיקי מעלה, במיוחד בטמפרטורות נמוכות, הקרובות לאפס המוחלט. אבל עכשיו, פרופ' אלי זלדוב ותלמיד המחקר דורי הלברטל מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, מדווחים במאמר שפירסמו בכתב העת "נייצ'ר" כי עלה בידם לפתח מערכת שמאפשרת מדידת טמפרטורה בדיוק רב, בדוגמאות חומר זעירות, שגודלן עשרות ננומטרים בלבד. מערכת כזאת מספקת דימות דו-ממדי של פיזור החום בדוגמאות חומר, ומסוגלת לזהות שינויים של פחות ממיליונית המעלה. יכולת כזאת מציעה, לראשונה, כלי חדש ורב עוצמה בחקר תהליכים קוונטיים שמתבטאים בפיזור חום בדוגמאות חומר זעירות; דבר שיכול לסייע בפיתוח התקנים מתקדמים של ננו-טכנולוגיה, בקידום היישום של מחשבים קוונטיים ובחקר שאלות בסיסיות בפיסיקה.

המערכת החדשה, הפועלת ללא מגע ישיר בדוגמת החומר הנמדדת, רגישה פי 10,000 ממערכות מדידה תרמית סורקות שהיו קיימות עד כה. החישן נבנה על צינורית זעירה העשויה קוורץ, שקוטר הפתח שלה אינו עולה על כמה עשרות ננומטרים. על דופן הצינורית הזאת נידפו המדענים מבנה עשוי מתכות מוליכות-על, בטמפרטורה נמוכה, שבו התחוללה התאבכות אלקטרונית קוונטית, שעל בסיסה פועל ההתקן. "כאשר סורקים באמצעות ההתקן הזה", אומר פרופ' זלדוב, "בקרבה רבה למשטח, כ-10 ננומטרים בלבד מפני השטח של דוגמת חומר, מקבלים קריאה מקומית מדויקת מאוד של הטמפרטורה כשינויים בזרם שזורם במוליך-העל של ההתקן. הטמפרטורה הנמדדת מעידה על תהליכי איבוד האנרגיה בדוגמה הננומטרית". הרגישות הגבוהה של התקן המדידה החדש, בתוספת רמת הרעש הנמוכה הם שמאפשרים מדידה של שינויי טמפרטורה מזעריים של פחות ממיליונית המעלה. "יכולתו של ההתקן לפעול בטמפרטורות נמוכות מאוד, ברמת דיוק גבוהה, והתערבות מינימלית בניסוי", אומר דורי הלברטל, "מאפשרות לו למדוד, למפות ולהציע דימות של מערכות שונות שנחשבות כבעלות פוטנציאל לתפקד כביטים קוונטיים – היחידות הבסיסיות שעשויות לעמוד בבסיס היישום של מחשבים קוונטיים עתידיים".

למעשה, ההתקן החדש יכול למדוד בדיוק חסר תקדים, בעת ובעונה אחת, טמפרטורה ושדה מגנטי על-פני השטח של דוגמת חומר. במאמר שפירסמו ב"נייצ'ר", מתארים מדעני המכון ושותפיהם למחקר מ-MIT, אוניברסיטת מנצ'סטר ומהמכון לננו-טכנולוגיה בברצלונה, כיצד הפעילו את המערכת החדשה על תיילים ננו-מטריים מרוכבים, על ננו-צינוריות עשויות פחמן אשר פותחו במעבדתו של פרופ' ארנסטו יוסלביץ במכון ויצמן למדע, וכן על דוגמת גרפן אשר יוצרו באוניברסיטת מנצ'סטר על-ידי ד"ר משה בן שלום (גרפן הוא שריג פחמן, בעובי של אטום בודד, שעל גילויו הוענק לאנדרי גיים – שותף נוסף במאמר על מד החום החדש - פרס נובל בפיסיקה לשנת 2010).

ההתקן פועל בטמפרטורות נמוכות מאוד, ברמת דיוק גבוהה, והתערבות מינימלית בניסוי

"הראינו", אומרים המדענים, "כיצד אפילו בדוגמאות חומר נקיות ומסודרות מאוד מתרחשים תהליכים של פיזור חום דרך פגמים זעירים, בגודל אטומי, אשר אותרו ומופו באמצעות המערכת החדשה". למשל, האנרגיה שמושקעת כיום כדי לקרוא מידע במערכות ממוחשבות קיימות, גדולה פי 100 מיליון מכפי שנחוץ – דבר שגורם להתחממות ומגביל את המיזעור והיעילות של המערכות. התקן המיפוי והמדידה החדש עשוי למפות את נקודות החולשה, ובכך לסייע בפיתוח התקנים אלקטרוניים זעירים, יעילים וחסכוניים יותר מאלה העומדים לרשותנו כיום. במבט לעתיד, עשויה המערכת החדשה לאפשר מדידת פיזור חום – ודליפת מידע קוונטי – מקיוביטים, "מתגים" קוונטיים שאם יפותחו, יוכלו לעמוד בבסיס היישום של מחשבים קוונטיים עתידיים. יכולת כזאת עשויה גם ללמד על המעבר שאינו מובן לנו כיום, בין גושי חומר זעירים ש"מצייתים" לתורת הקוונטים, שמגודל מסוים עוברים לפעול לפי חוקי הטבע בעולם העצמים הגדולים.